I תרכובות קרבוניליות – 17פרק

נראה הקבוצה כל ההיא כ, פחמן מחובר בקשר כפול לחמצן-הקבוצה הקרבוניליתתרכובות המכילות קבוצות . הפונקציונלית החשובה ביותר בקרב תרכובות אורגניות

. נפוצות מאוד בטבע, הנקראות תרכובות קרבוניליות, קרבוניליות .צה קרבונילית המחוברת לקבוצה אלקילית או לקבוצה אריליתקבוצה אצילית מורכבת מקבו

. למתמירים שמחוברים לקבוצה האצילית השפעה מרובה על הריאקטיביות של תרכובות קרבניליות : לשתי משפחותמתחלקותתרכובות קרבוניליות

חומצות . יפם בקבוצה אחרת מחוברת הקבוצה האצילית לאטום או לקבוצה שניתן להחלIבתרכובות קרבניליות מסוג ) 1

,OH, -Cl- (כל התרכובות הללו בעלות קבוצה . אסטרים ואמידים שייכים לקבוצה זו, אנהידרידים, אציל הלידים, קרבוקסיליות-Br, -O(CO)R, -OR, -NH2, -NHR, -NR2 (

, הלידים-צילא. שיכולה להיות מוחלפת בנוקלאופיל תולדות אמידים ניקראים גםאסטרים ו, אנהידרידים

מאחר והם נבדלים מחומצה , של חומצה קרבוקסיליתקרבוקסילית רק בסוג הקבוצה שהחליפה את קבוצת

. בחומצה הקרבוקסיליתOH -ה

אלדהידים . ניתן להחליפם בקבוצה אחרתשלא מחוברת הקבוצה האצילית לאטום או לקבוצה IIבתרכובות קרבוניליות מסוג ) 2

של אלדהידים )Ar– או R–( והקבוצה האלקילית או הארילית -Hלא ניתן להחליף את המימן . וקטונים שייכים למשפחה זו .וקטונים בנוקלאופיל

ככל שהבסיסיות של קבוצה - ראינו כי הנטייה של קבוצה להתחלף באחרת תלויה בבסיסיות היחסית של שתי הקבוצות10בפרק

לשים הינם קבוצות עוזבות טובות משום שבסיסים חלשים אינם טובים בסיסים ח. יכולת העזיבה שלה טובה יותר, חלשה יותר של החומצות הצמודות של הקבוצות העוזבות של pKa ערכי 17.1בטבלה . בשיתוף האלקטרונים שלהם כמו בסיסים חזקים

קבוצות האציליות מחוברות לבסיסים חלשים יותר מאשר הIשימו לב שהקבוצות האציליות של סוג . תרכובות קרבוניליות שונות של אלדהיד והקבוצה -Hהמימן ) כך החומצה חזקה יותר והבסיס הצמוד חלש יותר, נמוך יותרpKa -ככל שה. (IIשל סוג

. בקבוצה אחרתמותמרים כדי להיותשל קטון בסיסיים מידי) -R או -Ar(הארילית או אלקילית

כי תרכובות אלו עוברות נראה . Iבפרק זה נילמד על תרכובות קרבוניליות מסוג ריאקציות התמרה מאחר והן בעלות קבוצה אצילית המחוברת לקבוצה שניתן

היות . 18ריאקציות של אלדהידים וקטונים מצויות בפרק . להחליפה בנוקלאופילואלדהידים וקטונים בעלי קבוצת אציל המחוברת לקבוצה שלא ניתן להחליפה

.ת התמרה ריאקציוים עוברם אינםה, בנוקלאופיל נומנקלטורה. 1 חומצות קרבוקסיליות) א

י החלפת "שמה של חומצה קרבוקסילית מתקבל ע, בנומנקלטורה הסיסטמתית הופך methaneפחמני -האלקאן החד, לדוגמא". oic acid "-ב" e"סיומת

. methanoic acidלחומצה הקרבקסולית החד פחמנית

1

השמות שנבחרו בעבר תיארו תכונה ספציפית של . כ בשמם הרגיל"או פחות פחמנים נקראות בד 6חומצות קרבוקסיליות המכילות .בעיקר את מקורה, התרכובת

Formic acid- ניגזרת מהמילה formica” " דבורים וחרקים עוקצים , החומצה נמצאת בנמלים(בלטינית " נמלה"שמשמעותה ).אחרים

Acetic acid- ניגזרת מהמילה acetum”" ,נמצאת בחומץ(בלטינית " חומץ"שמעותה שמ.(...

הפחמן . המוענקת לכל פחמן בשרשרת מלבד לפחמן הקרבונילי, י אות יוונית"מיקומו של מתמיר מתואר ע, בנומנקלטורה רגילה .וכן הלאה, β הוא פחמן αהפחמן הסמוך לפחמן , αהסמוך לפחמן הקרבונילי הוא פחמן

.C-1הפחמן הקרבונילי של החומצה הקרבוקסילית הוא תמיד . י מספר"של מתמיר מתואר עמיקומו , בנומנקלטורה הסיסטמתית

חומצות קרבוקסיליות בהן הקבוצה הקרבוקסילית . הקבוצה הפונקציונלית של חומצה קרבוקסילית קרויה הקבוצה הקרבוקסילית .לשם התרכובת" carboxylic acid"י הוספת "מחוברת לטבעת מקבלות את שמן ע

הלידים-אציל) ב

אציל הלידים מקבלים את שמם . של חומצה קרבוקסיליתOH -הלידים הינם תרכובות בהן החליף אטום הלוגן את קבוצת ה-אצילמחליפים " carboxylic acid "-עבור חומצות שמסתיימות ב". yl chloride"או " yl bromide "-ב" ic acid"י החלפת "ע

".carbonyl chloride "-סיומת זו ב

CCl

O

H3C CH3CH2CHCH2

CH3C

Br

O C

O

Cl

ethanoyl chlorideacetyl chloride

3-methylpentanoyl bromideβ-methylvalerylbromide

cyclopentanecarbonylchloride

CCl

O

H3C CH3CH2CHCH2

CH3C

Br

O C

O

Cl

ethanoyl chlorideacetyl chloride

3-methylpentanoyl bromideβ-methylvalerylbromide

cyclopentanecarbonylchloride

:חומצות אנהידרידיות) ג

RC

O

OC

R

O בלי "-פירושו= אינהידריד . הוצאת מים משתי מולקולות של חומצה קרבוקסילית יוצרת חומצה אינהידרידיתאם שתי . האנהידריד יהיה אנהידריד סימטרי, אם שתי המולקולות שיוצרות את האנהידריד זהות". מים

י החלפת "אנהידירידם סימטרים מקבלים את שמם ע. אנהידריד מעורבהאנהידריד יהיה , המולקולות שונותי ציון "אנהידירים מעורבים מקבלים את שמם ע. בשם החומצה" anhydride"-ב" acid"סיומת

."anhydride"שמותיהן של שתי החומצות בסדר אלפבתי ולאחריהם אסטרים )ד

R'שם האסטר מתחיל בשמה של הקבוצה . ומצה הקרבוקסילית בחOH את קבוצת ORאסטר הוא תרכובת בה החליפה קבוצת ".ate "-מוחלף ב" ic acid"כאשר , ולאחריה שמה של החומצה, שמחוברת לחמצן הקרבוקסילי

”ic acid“כאשר , הקטיון נרשם קודם ואחריו מופיע שם החומצה. מלחים של חומצות קרבוקסיליות מקבלים את שמם באותו אופן .”ate“ - בהוחלף

2

שמותיהם הרגילים ניגזרים ". oxacycloalkanones-2"הם נקראים , בנומנקלטורה סיסטמתית. אסטרים ציקלים קרויים לקטוניםואות יוונית שמציינת לאיזה פחמן , )מציינים את אורך השרשרת הפחמניתאשר ( מות הרגילים של חומצה קרבוקסיליתמהש

לקטונים , )βהחמצן הקרבונילי מצוי על פחמן ( "lactones” -βטונים עם טבעת מרובעת הינם לק, לכן. מחובר הפחמן הקרבונילי ".δ-lactones" עם טבעת משושה הינם ולקטונים, "γ- lactones"עם טבעת מחומשת הינם

אמידים) ה

ic"י החלפת סיומת "שמם עאמידים מקבלים את . של חומצה קרבוקסיליתOH במקום קבוצת NH2, NHR, NR2לאמיד קבוצת acid "או" oic-acid "מילה ב"amide ."עבור חומצות שמסתיימות ב- “carboxylic acid” , "amide "מוחלף ב-" ylic acid."

ולאחריו שם , )הם מצויינים בסדר אלפבתי, אם יש יותר ממתמיר אחד(שם המתמיר מצוין ראשון , אם המתמיר מחובר לחנקן .מ לציין שהמתמיר מחובר לחנקן" לפניו עN של מתמיר מקבל אות כל שם. האמיד

CNH

O

CH3CH2CH3CH2CH2CH2

CNCH2CH3

O

CH3

N-cyclohexylpropanamide N-ethyl-N-methylpentanamide

CNH

O

CH3CH2CH3CH2CH2CH2

CNCH2CH3

O

CH3

N-cyclohexylpropanamide N-ethyl-N-methylpentanamide

”azacycloalkanones-2“הם ניקראים . הנומנקלטורה שלהם זהה לזו של לקטונים. אמידים ציקליים נקראים לקטמיםם הרגיל של החומצה י הש"אורך השרשרת הפחמנית מצוין ע, בשמם הרגיל). מציין אטום חנקן" aza("בנומנקלטורה הסיסטמתית

.ואות יוונית מציינת לאיזה פחמן מחובר החנקן, הקרבוקסילית

NH

O

NH

O

NH

O

α

β

γ

δ

α

βγ

2-azacyclohexanoneδ-valerolactam

2-azacyclopentanoneγ-butyrolactam

2-azacyclobutanoneβ-propiolactam

NH

O

NH

O

NH

O

α

β

γ

δ

α

βγ

NH

O

NH

O

NH

O

α

β

γ

δ

α

βγ

2-azacyclohexanoneδ-valerolactam

2-azacyclopentanoneγ-butyrolactam

2-azacyclobutanoneβ-propiolactam

ניטרילים) ו

כמו כל (ניטרילים נחשבים לתולדות של חומצה קרבוקסילית . C≡Nניטרילים הם תרכובות שמכילות קבוצה פונקציונלית .חומצות קרבוקסיליותמאחר והם מגיבים עם מים ליצירת ) Iהתרכובות הקרבוניליות מסוג

שימו לב שהפחמן המחובר . לשם ההורה האלקני" nitrile"י הוספת "שמם של ניטרילים מתקבל ע, בנומנקלטורה הסיסטמתית . בקשר משולש לחנקן נספר בסך הפחמנים היוצרים את השרשרת הפחמנית הארוכה ביותר

הם יכולים ". onitrile "-של החומצה הקרבוקסילית ב" ic acid"י החלפת "ניטרילים מקבלים את שמם ע, בנומנקלטורה רגילה .”cyanide“ ולאחריו C≡Nציון שם הקבוצה האלקילית שמחוברת לקבוצה : להיקרא גם כאלקיל ציאנידים

CH3C N C N CH3CHCH2CH2CH2C N

CH3

ethanenitrileacetonitrile

methylcyanide

benzenecarbonitrilebenzonitrile

phenyl cyanide

5-methylhexanenitrileδ-methylcapronitrile

isohexyl cyanide

CH3C N C N CH3CHCH2CH2CH2C N

CH3

ethanenitrileacetonitrile

methylcyanide

benzenecarbonitrilebenzonitrile

phenyl cyanide

5-methylhexanenitrileδ-methylcapronitrile

isohexyl cyanide

CH2 CHC N

propenenitrileacrylonitrile

CH2 CHC N

propenenitrileacrylonitrile

3

מבנים של חומצות קרבוקסיליות ותולדות של חומצת קרבוקסילית. 2

הוא . sp2ות של חומצה קרבוקסילית יש היברידיזציה לפחמן הקרבונילי בחומצות קרבוקסיליות ותולדשלושת . Yולמתמיר , αלפחמן , לחמצן הקרבוניליσ ליצירת קשרי sp2משתמש בשלושת אורביטלות

-וזוויות הקשר ביניהם שוות בקירוב ל, האטומים המחוברים לפחמן הקרבונילי נמצאים באותו מישור°120 .

, עם הפחמן הקרבוניליσ יוצרת קשר sp2אחת מאורביטלות . sp2 לחמצן הקרבונילי גם היברידיזצית שנותרה בחמצן Pאורביטלת . האחרות מכילות זוג אלקטרונים לא קושרsp2ושתי אורביטלות

.π שנותרה בפחמן הקרבונילי ליצירת קשר Pהקרבונילי חופפת עם אורביטלת

התורם הרזונטיבי השני . נטיבים עיקריים תורמים רזו2חומצות קרבוקסיליות ואמידים יש , לאסטריםהתורם הרזונטיבי השני חשוב יותר . של אציל כלורידים וחומצות אנהידריד הרבה פחות חשוב

לאמיד מאשר לאסטר או לחומצה הקרבוקסילית היות וחנקן טוב יותר בשיתוף האלקטרונים שלו . בנשיאת מטען חיוביחנקן פחות אלקטרונגטיבי מחמצן ולכן הוא טוב יותר. מאשר חמצן

תכונות פיזיקליות של תרכובות קרבוניליות. 3

נקודות הרתיחה ויתר התכונות הפיזיקליות של תרכובות . 7 - ו1התכונות החומציות של חומצות קרבוקסיליות הוסברו בפרקים . בספרIקרבוניליות רשומות בנספח

:של תרכובות קרבוניליותנקודות הרתיחה להלן היחס בין

אמיד< חומצה קרבוקסילית < ניטריל << אסטר ~ אציל כלוריד ~ אלדהיד ~ קטון

, קטון ואלדהיד נמוכות יותר מנקודות הרתיחה של אלכוהול בעל משקל מולקולרי דומה, אציל כלוריד, נקודות הרתיחה של אסטרנקודות הרתיחה של תרכובות . חת עם שניהמאחר ומולקולות של תרכובות קרבוניליות אלו אינן יכולות ליצור קשרי מימן א

. קרבוניליות גבוהות יותר מנקודות רתיחה של אתרים הודות לקבוצה הקרבונילית הפולרית

לחומצות קרבוקסיליות נקודות רתיחה גבוהות יחסית משום שהן יוצרות קשרי מימן בין .מולקולרים

וזאת הודות לתורם הרזונטיבי בעל , דיפול חזקות-ם בעלי אינטרקציות דיפולמאחר וה, לאמידים נקודות הרתיחה הגבוהות ביותר

מטענים מופרדים שתורם באופן משמעותי למבנה הכללי של קשרי מימן יווצרו , אם החנקן של האמיד מחובר למימן. התרכובת

נקודת הרתיחה של ניטריל דומה לזו של אלכוהול . בין המולקולות .דיפול חזקות-ציות דיפולהיות ולניטריל יש אינטרק

, כמו אלכוהולים ואתרים. אלקאנים כלוריים ופחממנים ארומטים, תולדות חומצה קרבוקסילית מסיסים בממסים כגון אתר .תרכובות קרבוניליות עם פחות מארבעה פחמנים מסיסים במים

פולרים אך אינם מכילים קבוצות וניטרילים משמשים בקביעות כממסים מאחר והם , די מותמרים-N,Nאמידים , אסטרים . הוא ממס פולרי אפרוטי נפוץdimethylformamide (DMF)ראינו כי . הידרוקסיל ריאקטיביות/אמינו

מגיבותIכיצד תרכובות קרבוניליות מסוג . 5

הפחמן . פחמן חמצן יותר אלקטרונגטיבי מ-הריאקטיביות של תרכובות קרבוניליות נובעת מהפולריות של הקבוצה הקרבונילית . י נוקלאופילים"כך שניתן לשער בבטחה כי הוא יותקף ע, אם כן הוא אלקטרופיל, הקרבונילי

. חמצן נשבר ונוצר תוצר ביניים- בקשר פחמןπקשר , כאשר נוקלאופיל תוקף פחמן קרבונילי של תולדת חומצה קרבוקסיליתתרכובת עם , כ"בד). sp3(הופך לפחמן טטראהדרלי ) trigonal) sp2תוצר הביניים קרוי תוצר ביניים טטראהדרלי היות ופחמן

. מחובר גם לאטום אלקטרונגטיבי אחרsp3 המחובר לאטום חמצן תהיה בלתי יציבה אם אותו פחמן sp3פחמן

4

ל זוג אלקטרונים לא קושר ע. הינם אטומים אלקטרונגטיביםZ - וY -אינו יציב משום ש, על כן, תוצר הביניים הטטראהדרלי . מתנתק מהמולקולה עם האלקטרונים הקושרים שלוZ– או Y–ואילו , πהחמצן יוצר מחדש את קשר

כך הוא , ככל שהבסיס חלש יותר: הבסיס החלש יותר יתנתק מאחר ו. יתנתק תלוי בבסיסיות היחסית שלהםZ– או Y–בין אם -הוא יוצר קשר חלש יותר, וף האלקטרונים שלו כמו בסיס חזקהיות ובסיס חלש אינו טוב בשית. מהווה קבוצה עוזבת טובה יותר

. לא יווצר תוצר חדש, במקרה זה. יתנתק מהמולקולהZ–אז , Y– - הוא בסיס חלש יותר מZ–אם . אחד שקל יותר לשבור. ש את המגיביםאך תוצר הביניים הטטראהדרלי מסלק את הנוקלאופיל התוקף ויוצר מחד, הנוקלאופיל תוקף את הפחמן הקרבונילי

. יתנתק ויתקבל תוצר חדשY–אז , Z– -הוא בסיס חלש יותר מ Y–אם , מצד שני

שהיה מחובר לקבוצה אצילית ) Y–(החליף את המתמיר ) Z–(ריאקציה זו נקראת התמרה אצילית נוקלאופילית היות ונוקלאופיל . Z–לאחרת Y–בוצה אצילית הועברה מקבוצה אחת משום שקacyl transferמעבר אציל התגובה נקראת גם ריאקצית . במגיב

כאשר . Z– ואחרים את Y–חלק מהמולקלות של תוצר הביניים הטטראהדרלי ידחו את , דומהZ– - וY–אם הבסיסיות של – -ו Y–הכמויות היחסיות של כל אחד תלויות בבסיסיות היחסית של . הן מגיב והן תוצר יהיו נוכחים בתערובת, הריאקציה תסתיים

Z וכן בנוקלאופיליות היחסית של –Yו - –Z.

:reaction coordinate diagramsי "שלושה מקרים מיוצגים עאם הקבוצה החדשה בתוצר הביניים הטטראהדרלי היא בסיס חלש יותר מהקבוצה שהייתה מחוברת לקבוצה האצילית )1

מסלק את ) TI(בו תוצר הביניים הטטראהדרלי הוא זה -הנמוכה יותר" גבעת האנרגיה "-המסלול הקל יותר, במגיב )a. (כך שלא מתרחשת תגובה, הקבוצה החדשה ויוצר מחדש את המגיבים

אם הקבוצה החדשה בתוצר הביניים הטטראהדרלי היא בסיס חזק יותר מהקבוצה שהייתה מחוברת לקבוצה האצילית )2לק את הקבוצה שהייתה מחוברת לקבוצה האצילית המסלול הקל יותר הוא זה בו תוצר הביניים הטטראהדרלי מס, במגיב

)b. (במגיב ויוצר תוצר מותמר. תוצר הביניים יכול לסלק כל קבוצה באותה הקלות, אם לשתי הקבוצות בתוצר הביניים הטטראהדרלי בסיסיות דומה )3

)c. (במקרה זה תתקבל תערובת של מגיב ותוצר מותמר

: הריאקציות של תולדות חומצה קרבוקסיליתלסכם בכלל אחד את, אם כן, נוכלתולדת חומצה קרבוקסילית תעבור התמרה אצילית נוקלאופילית אם הקבוצה החדשה שהתווספה בתוצר הביניים

. בסיס חלש יותר מאשר הקבוצה שהייתה מחוברת לקבוצה האצילית במגיבאינההטטראהדרלי

ובות נסתכל כעת על תיאור אורביטלות מולקולריות בתג שאורביטלת 1ראינו בפרק . של תרכובות קרבוניליות

2p של חמצן תורמת יותר לאורביטלה המולקולרית bonding πמאחר וחמצן אלקטרונגטיבי יותר מפחמן ,

- של פחמן תורמת יותר ל2pוהאורביטלה antibonding* π . משמעות הדבר היא כי אורביטלת antibonding* πכך , ום הפחמןהיא הגדולה ביותר באט

, של הנוקלאופילnonbondingששם תחפוף אורביטלת

5

כך , וככל שהחפיפה גדולה יותר, הדבר מאפשר את החפיפה האורביטלית המקסימלית. בה מצויים זוג האלקטרונים הלא קושר, במקרה זה(התוצאה היא אורביטלה מולקולרית , כאשר אורביטלה מלאה ואורביטלה ריקה חופפות. היציבות גדולה יותר

).שיציבה יותר משתי האורביטלות החופפות, σאורביטלה מולקולרית ראיקטיביות יחסית של חומצות קרבוקסיליות ותולדות חומצה קרבוקסילית. 6

היווצרותו של תוצר הביניים הטטראהדרלי וקריסתו של -ראינו כי ישנם שני שלבים בריאקצית התמרה אצילית נוקלאופיליתכך מתרחשים שני שלבי הריאקציה בקלות רבה , ככל שהבסיס המחובר לקבוצה האצילית חלש יותר. יים הטטראהידרליתוצר הבינ

ככל : הריאקטיביות של תולדת חומצה קרבוקסילית תלויה בבסיסיות של המתמיר המחובר לקבוצה האצילית, במלים אחרות. יותר .יותר ראיקטיביתכך תולדת החומצה הקרבוקסילית , שהמתמיר פחות בסיסי

? כיצד הבסיס החלש המחובר לקבוצה האצילית מזרז את השלב הראשון של הריאקציהבסיסים חלשים , אי לכך. הוא מאכלס טוב יותר את המטען השלילי, כלומר. בסיס חלש הוא בסיס אלקטרונגטיבי יותר, ראשית

לקטרונים מגדילה את רגישות הפחמן הקרבונילי להתקפה משיכת א. טובים יותר במשיכת אלקטרונים מהפחמן הקרבונילי . נוקלאופילית

ככל שתולדת . קטנה יותרYכך תרומתו של התורם הרזונטיבי עם מטען חיובי על , בסיסיות חלשה יותרY -ככל של, שנית . יותרכך היא תהיה ריאקטיבית, רזזונסי "החומצה הקרבוקסילית מיוצבת פחות ע

יזרז גם את השלב השני של ריאקצית התמרה אצילית נוקלאופילית היות וקל יותר להסיר , קבוצה האציליתבסיס חלש המחובר ל .בסיס חלש בעת קריסת תוצר הביניים הטטראהדרלי

הנוקלאופיל שיוצר את תוצר הביניים הטטראהדרלי חייב להיות בסיס חזק יותר מהבסיס , ראינו כי בהתמרה אצילית נוקלאופילית

אך אינה יכולה להפוך לתולדה יותר , תולדת חומצה קרבוקסילית יכולה להפוך לתולדה פחות ריאקטיבית, אי לכך. וברשכבר מח, אנהידריד. אציל כלוריד יכול להפוך לאנהידריד מאחר ויון קרבוקסילאט הוא בסיס חזק יותר מיון כלוריד, לדוגמא. ריאקטיבית .היות ויון כלוריד הוא בסיס חלש יותר מיון קרבוקסילאט, אינו יכול להפוך לאציל כלוריד, לעומת זאת

מנגנון כללי עבור ריאקציות התמרה אצילית נוקלאופילית. 7

, אם הנוקלאופיל טעון שלילית. י מנגנון זהה" ריאקצית התמרה נוקלאופילית עפולדות של חומצה קרבוקסילית עוברותכל התכאשר . הנוקלאופיל תוקף את הפחמן הקרבונילי ליצירת תוצר ביניים טטראהדרלי: בפרק זה5המנגנון יהיה כפי שתואר בחלק

.הבסיס החלש יותר מתנתק, תוצר הביניים הטטראהדרלי קורס

י "תוצר הביניים הטטראהדרלי מאבד פרוטון ומתקבל תוצר ביניים זהה לזה שנוצר ע. למנגנון נוסף שלב, אם הנוקלאופיל נייטרלי

הקבוצה החדשה שהתווספה -תוצר ביניים טטראהדרלי זה מסלק את הבסיס החלש מבין השניים. נים שליליתנוקליאופילים טעו .לאחר שאיבדה פרוטון או הקבוצה שהייתה מחוברת לקבוצה האצילית במגיב

, לכן. מנגנון זההזכרו כי כל הריאקציות פועלות לפי. ים אלוישאר החלקים בפרק מתארים דוגמאות ספציפיות של עקרונות כללבדיקת תוצר /י סקירת"תוכלו לקבוע את תוצרי הריאקציה של חומצות קרבוקסיליות או תולדות של חומצות קרבוקסיליות ע

.הביניים הטטראהדרלי ושימוש בכלל שעל פיו הבסיס החלש יותר יוסר מהמולקולה

6

ריאקציות של אציל הלידים. 8

-אציל הלידים מגיבים ...ליצירת ...עם

אנהידרידים יוני קרבוקסילאט אסטרים אלכוהולים

חומצות קרבוקסיליות מים אמידים אמינים

שימו לב שהן אלכוהולים והן פנולים יכולים להגיב ליצירת . בכל מקרה הנוקלאופיל התוקף הוא בסיס חזק יותר מיון ההליד העוזב

.אסטרים

. המנגנון הכללי שתואר בחלק הקודםפ "כל הריאקציות פועלות ע

. יון הקרבוקסילאט הנוקליאופילי תוקף את הפחמן הקרבונילי של האציל כלוריד, בתהליך הפיכת אציל כלוריד לחומצת אנהידרידתוך שיחרור יון הכלוריד משום , הקשר הכפול יווצר במהירות מחדש, היות ותוצר הביניים הטטראהדרלי שמתקבל אינו יציב

.א בסיס חלש יותר מיון הקרבוקסילאטשהו .התוצר הסופי הוא אנהידריד

מאחר וקבוצת . האלכוהול הנוקליאופילי תוקף את הפחמן הקרבונילי של האציל כלוריד, בתהליך הפיכת אציל כלוריד לאסטר

מוסר מהמולקולה משום יון הכלוריד. תוצר הביניים הטטראהדרלי מאבד מיד פרוטון, האתר הטעונה חיובית היא חומצה חזקה .שהוא בסיס חלש יותר מיון אלקוקסיד

החומצה שנוצרת בריאקציה תתרום פרוטון . HCl -שניוני יוצרת אמיד ו/ריאקציה בין אציל כלוריד לבין אמוניה או אמין ראשוני

, הריאקציה. יבים עם אציל כלורידאין הם מג, מאחר ואמינים עם פרוטון עודף אינם נוקליאופילים. לאמוניה או לאמין שטרם הגיבוחייבת להתרחש עם כמות כפולה של אמוניה או אמין ביחס לכמות האציל כלוריד כך שיהיה מספיק אמין להגיב עם האציל , אם כן .הליד

, היות ואמינים שלישוניים לא יכולים ליצור אמידיםניתן להשתמש בכמות זהה של אמין שלישוני כגון

triethylamine או pyridineבמקום עודף אמין .

7

ריאקציות של חומצות אנהידרידיות. 9

מאחר . חומצות אנהידרידיות אינן מגיבות עם נתרן כלוריד או נתרן ברומיד היות ויון ההליד הוא בסיס חלש מיון הקרבוקסילאט . הוא יוסר מתוצר הביניים הטטראהדרלי, ויון ההליד הוא בסיס חלש יותר

-דית מגיבה חומצה אנהידרי

...ליצירת ...עם אסטר וחומצה קרבוקסילית אלכוהול

כמויות של חומצה קרבוקסילית2 מים אמיד ויון קרבוקסילאט אמין

. הוא בסיס חזק יותר מיון הקרבוקסילאט העוזב- לאחר שאיבד פרוטון-הנוקליאופיל התוקף, בכל מקרה

כך שתהיה כמות ) או אמין ואמין שלישוני בכמויות שוות(תמש בכמות כפולה של אמיד יש להש, בריאקציה של אמין עם אנהידריד . בפרק זה7י המנגנון הכללי שתואר בחלק "כל הריאקציות פועלות עפ. מספקת של אמין להגיב עם האנהידריד

ריאקציות של אסטרים. 10

8

-ORחר ונקוליאופילים אלו הינם בסיסים חלשים יותר מהקבוצה מא, אסטרים אינם מגיבים עם יוני הליד או עם יוני קרבוקסילאט . של האסטר

זוהי דוגמא . אסטר מגיב עם מים ליצירת חומצה קרבוקסילית ואלכוהול . ריאקציה בה מים הופכים תרכובת אחת לשתי תרכובות-הידרוליזהל

אסטר מגיב עם אלכוהול ליצירת אסטר חדש ואלכוהול אלכוהוליזה ספציפית זו . כוהוליזהאלזוהי דוגמא ל. חדש

היות ואסטר אחד הופך , טרנסאסטריפיקציהנקראת גם .לאסטר אחר

-הן הידרוליזה והן אלכוהוליזה של אסטר הינן תגובות איטיות מאד משום ש

.מים ואלכוהולים הם נוקליאופילים גרועים )א .לאסטרים קבוצות עוזבות בסיסיות מאד )בקצב , בנוסף. י חומצה"שתי התגובות הללו ניתנות לזירוז ע. זורזות כאשר הן מבוצעות במעבדהתגובות אלו תמיד מ, אי לכך

).-RO(י הבסיס הצמוד של האלכוהול המגיב "וקצב האלכוהוליזה מוגבר גם ע, י יון הידרוקסיד"ההידרוליזה מוגבר גם ע

. אסטרים מגיבים גם עם אמינים ליצירת אמידיםתרכובת אחת לשתי ריאקציה של אמין שהופך

. אמינוליזהתרכובת נקראת בניגוד לאמינוליזה של אציל הליד או חומצת , שימו לב שלאמינוליזה של אסטר נדרשת רק כמות אקוויוולנטית אחת של אמין

יון כך ש, בסיסית יותר מאמין) -RO(זאת מאחר והקבוצה העוזבת של אסטר . בה נדרשות שתי כמויות אקוויוולנטיות, אנהידריד .האלקוקסיד תופס את הפרוטון שנוצר בריאקציה ולא האמין

מכיוון שאמין הוא נוקליאופיל טוב , הריאקציה של אסטר עם אמין אינה איטית כמו הריאקציה של אסטר עם מים או עם אלכוהולניתן . -RO - או ב-OH -ב, י שימוש בחומצה" עמזורזהדבר בהחלט חשוב היות וקצב הריאקציה של אסטר עם אמין אינו . יותר

.י זיקוק האלכוהול בזמן שהוא נוצר"י שימוש בעודף אמין או ע"לדחוף אמינוליזה של אסטר לסיום עהינם בסיסים חלשים יותר מיוני ) -ArO(יוני פנוקסיד , אי לכך. ראינו כי פנולים הינם חומצות חזקות יותר מאלכוהולים7בפרק

.ים ריאקטיבים יותר מאסטרים אלקיליםולכן אסטרים פנול, )-RO(אלקוקסיד

הידרוליזת אסטר בזירוז חומצה. 11

קצב . ראינו כי אסטרים עוברים הידרוליזה איטית מאחר ומים הם נוקליאופיל גרוע ולאסטרים קבוצות עוזבות בסיסיות למדי : כל הריאקציות האורגניותשימו לב לתכונה שנכונה עבור, במנגנונים הבאים. -OHי חומצה או "ההידרוליזה מזורז ע

תוצרים ותוצרי . כל התוצרים ותוצרי הביניים האורגניים טעונים חיובית או נייטרלים, י חומצה"בריאקציה המזורזת ע .1 .ביניים טעונים שלילית אינם נוצרים בתמיסות חומציות

תוצרים ותוצרי . או נייטרליםכל התוצרים ותוצרי הביניים האורגניים טעונים שלילית , -OHי "בריאקציה המזורזת ע .2 .ביניים טעונים חיובית אינם נוצרים בתמיסות בסיסיות

הידרוליזת אסטר רגילה. א

החמצן הקרבונילי קולט פרוטון . מתחבר פרוטון לחמצן הקרבונילי, במנגנון של הידרוליזת אסטר בזירוז חומצהבשלב הראשון .כפי שניתן לראות בתורמים הרזונטיבים, ביותרמאחר והוא אטום בעל צפיפות האלקטרונים הגדולה

כתוצאה מכך מתקבל תוצר ביניים . תוקף את הקבוצה הקרבונילית הטעונה חיוביתH2Oהנוקליאופיל , של המנגנוןבשלב השניקבוצת או לOHהמטען החיובי יכול להסתפח לקבוצת ). II(מ עם צורתו הנייטרלית "שמצוי בש) I(טטראהדרלי עם פרוטון עודף

OR בתוצר הביניים הטטראהדרלי II . היותשני , יש בסיסיות דומהOR - וOHולקבוצות

OR (IIIאו ) טעון חיוביתI) OHתוצרי הביניים אנו יודעים כי 1מפרק . [נוצרים) טעון חיובית

הכמויות היחסיות של שלושת תוצרי הביניים תלויות ם של תוצרי הבינייpKa של התמיסה וערכי pH -ב

.]החומציים

ולא H2Oהוא מסלק , קורסIכאשר תוצר ביניים CH3O-משום ש - H2Oהוא בסיס חלש יותר ,

. נוצר אסטרוכתוצאה מכךTetrahedral intermediate II →

CH3OHהוא מסלק , קורסIIIכאשר תוצר ביניים , הוא בסיס חלש יותרCH3OH - משום ש-OHולא . נוצרת חומצה קרבוקסיליתתוצאה מכךוכ

-OH -מאחר ו, יקרוסIIניים לא סביר כי תוצר בי . הם בסיסים חזקים-CH3O -ו Tetrahedral intermediate III

לקרוס Iנטייתו של תוצר ביניים , בסיסיות דומהCH3OH - ולH2O -היות ולליצירת חומצה ( לקרוס IIIזהה לנטייתו של תוצר ביניים ) ליצירת אסטר(

הן אסטר והן חומצה , מ"כאשר הריאקציה תגיע לש, ולכן). קרבוקסילית .קסילית יהיו נוכחים בתערובת בכמויות שוותקרבו

אם נקודת הרתיחה של התוצר האלכוהולי נמוכה באופן , או) שטלייה-פ עקרון לה"ע(י עודף מים "מ לימין ע"ניתן לדחוף את ש

.י זיקוק התוצר האלכוהולי בזמן שנוצר"ע, משמעותי מנקודות הרתיחה של שאר מרכיבי הריאקציה

הוא היפוכו המדויק של , י חומצה"המזורזת ע, בין חומצה קרבוקסילית לבין אלכוהול ליצירת מים ואסטרהמנגנון של ריאקציהיש , אם התוצר המבוקש הוא אסטר. י חומצה"שגם מזורזת ע, מנגנון הידרוליזה של אסטר ליצירת חומצה קרבוקסילית ואלכוהול

.עודף אלכוהול או הוצאת מים בזמן שהם נוצרים שימוש ב-ליצור תנאים מתאימים שידחפו את הריאקציה לשמאל

9

הוא חומר שמזרז את קצב הריאקציה מבלי להשתנות או זרזזכרו כי . נראה כעת כיצד חומצה מגבירה את קצב הידרוליזת אסטרהקצב של שינוי . עליו להגביר את קצב השלב האיטי של הריאקציה, כדי שזרז יגביר את קצב הריאקציה. להיצרך בתגובה הכוללת

בארבעה מתוך ששת שלבי המנגנון עבור הידרוליזת אסטר בזירוז חומצה . השלב המהיר לא ישפיע על קצב הריאקציה הכוללת, אי לכך. מעבר פרוטון אל או מאטום אלקטרונגטיבי כגון חמצן או חנקן הוא שלב מהיר. proton transferמתרחש מעבר פרוטון

. היווצרותו של תוצר הביניים הטטראהדרלי וקריסתו של תוצר הביניים הטטראהדרלי: נגנוןישנם שני שלבים איטיים יחסית במ :מגבירה את קצבם של שני שלבים אלו באופנים הבאיםהחומצה

י פרוטונציה של " החומצה מגבירה את קצב היווצרותו של תוצר הביניים הטטראהדרלי ע)אחיובית רגישות יותר להתקפה נוקליאופילית קבוצות קרבוניליות טעונות . החמצן הקרבונילי

ושך אלקטרונים יותר מהיות וחמצן עם מטען חיובי , ניליות נייטרליותמאשר קבוצות קרבומחסור האלקטרונים העלאת המשיכה האלקטרונית של החמצן מגדילה את . מחמצן נייטרלי

.פיליםמה שמעלה את משיכתו של הפחמן הקרבונילי לנוקליאו, בפחמן הקרבונילימה שמקל על , י החלשת הבסיסיות של הקבוצה העוזבת" החומצה מגבירה את קצב קריסתו של תוצר הביניים הטטראהדרלי ע)ב

בריאקציה הלא -ORבסיס חלש יותר מהקבוצה העוזבת , ROHהקבוצה העוזבת הינה , בהידרוליזת אסטר בזירוז חומצה. סילוקה .מזורזת

קבוצות אלקיליות שלישוניותהידרוליזה של אסטרים עם . ב

-אסטרים עם קבוצות אלקיליות שלישוניות עוברים הידרוליזה מהר יותר משאר האסטרים מאחר והם עוברים מנגנון אחר לחלוטין SN1הידרוליזה של אסטר עם קבוצה אלקילית שלישונית היא ריאקצית . אחד שאינו מערב היווצרות תוצר ביניים טטראהדרלי

.נותר קרבוקטיון שלישוני יציב יחסית, זיבת החומצה הקרבוקסיליתמשום שבעת ע

10

טרנסאסטריפיקציה. ג

.י חומצה" גם מזורזת ע- ריאקציה בין אסטר לבין אלכוהול-טרנסאסטריפיקציה

RC

O

OC

CH3

CH3

CH3

H

RC

OH

OC

CH3

CH3

CH3

OH2

C

CH3

CH3

CH3HO

H

C

CH3

CH3

CH3HO

כמו . H2O ולא ROHאלא שהנוקליאופיל הוא , המנגנון עבור טרנסאסטריפיקציה זהה למנגנון של הידרוליזת אסטר רגילהיש להשתמש בעודף מגיב אלכוהולי ליצירת , אי לכך. לקבוצות העוזבות בתוצר הביניים הטטראהדרלי בסיסיות דומה, בהידרוליזה

.יותר תוצר מבוקש

OH- בעידודהידרוליזת אסטר . 12

ם האיטיים של יון הידרוקסיד מגביר את קצבם של שני השלבי, כמו חומצה. קצב הידרוליזת אסטר מוגבר בסביבה בסיסית . הריאקציה

ולכן , H2O - הוא נוקליאופיל טוב יותר מ-OH -יון הידרוקסיד מגביר את קצב היווצרות תוצר הביניים הטטראהדרלי מאחר וOH-נוטה יותר לתקוף את הפחמן הקרבונילי .

ר הביניים הטעון שלילית עובר יון הידרוקסיד מגביר את קצב קריסת תוצר הביניים הטטראהדרלי היות וחלק קטן יותר של תוצמאחר והחמצן הקרבונילי ) -OR(אטום טעון שלילית נוטה יותר לסלק את הקבוצה העוזבת הבסיסית . פרוטונציה בתמיסה בסיסית

.אינו מפתח מטען חיובי חלקי במצב המעבר

התוצרים הסופיים , מסולק-CH3Oכאשר , שימו לבמשום שאם רק אינם חומצה קרבוקסילית ויון מתוקסיד

הוא יהיה החומר הבסיסי , חומר אחד עובר פרוטונציההתוצרים הסופיים הינם יון קרובקסילאט ומתנול . יותר

היות . -CH3COO - בסיסי יותר מ-CH3O -משום שהם אינם מותקפים , ויוני קרבוקסילאט טעונים שלילית

יון בעידודהידרוליזת אסטר , לכן. י נוקליאופילים"ע, בניגוד להידרוליזת אסטר בזירוז חומצי, הידרוקסיד

.אינה ריאקציה הפיכה

בשל הסיבות " בסיסריאקציה בזירוז"במקום ) hydroxide-ion promoted" ( יון הידרוקסידבעידודריאקציה "הריאקציה קרויה :הבאותולא בגלל היותו בסיס , מיםיון ההידרוקסיד מגביר את השלב הראשון של הריאקציה בגלל היותו נוקליאופיל טוב יותר מ •

.חזק ממיםיון , לכן. בריאקציהלהיצרךאין חומר יכול להשתנות או להיות , מ להיות זרז"ע. יון ההידרוקסיד נצרך בתגובה הכוללת •

.ההידרוקסיד הוא יותר מגיב מאשר זרז

לעודד יוני הידרוקסיד אינם יכולים .לא טרנסאסטריפיקציה או אמינוליזה, רק ריאקציות הידרוליזהמעודדיםיוני הידרוקסיד ריאקציות של תולדות חומצה קרבוקסילית עם אלכוהולים או עם אמינים מאחר ותפקיד אחד של יון ההידרוקסיד הוא לספק

התקפה , כאשר הנוקליאופיל אמור להיות אלכוהול או אמין, אי לכך. נוקליאופיל חזק עבור השלב הראשון של הריאקציהי אלכוהול או "התקפה נוקליאופילית עכתוצאה מי יון הידרוקסיד תגרום להיווצרות תוצר שונה מהתוצר שיתקבל "ענוקליאופילית

ובין אם H2Oבין אם הנוקליאופיל התוקף הוא , ריאקצית הידרוליזה משום שאותו תוצר מתקבללעודדיון הידרוקסיד יכול . אמין .-OHהוא

תפקידו של יון האלקוקסיד הוא לספק . י הבסיס הצמוד של האלכוהול" עהול מעודדות הנוקליאופיל הוא אלכוריאקציות בהן

.י בסיסו הצמוד"עמעודדות ולכן רק ריאקציות בהן הנוקליאופיל הוא אלכוהול , נוקליאופיל חזק עבור הריאקציה

. ראהדרלי נוצר ולאחר מכן קורסי מנגנון בו תוצר ביניים טט"ראינו כי ריאקציות התמרה אצילית נוקליאופילית מתרחשות עפ ? אנו יודעים שהוא נוצר, אם כן, כיצד. בלתי יציב מדי לבידוד, אמנם, תוצר ביניים ...).ההסבר לא נראה רלוונטי למבחן( בספר 698התשובה בעמוד , מביניכםלסקפטים

ריאקציות של חומצות קרבוקסיליות. 14

הצורה הבסיסית של חומצה קרבוקסילית אינה . נוקליאופילית רק בצורתם החומציתחומצות קרבוקסיליות עוברות התמרה אצילית

יוני , לכן. עוברת התקפה אצילית נוקליאופילית משום שיון הקרבוקסילאט הטעון שלילית עמיד בפני התקפה נוקליאופילית .קרבוקסילאט עוד פחות ריאקטיבים להתקפה נוקליאופילית מאשר אמידים

בחומצה קרבוקסילית בעלת ערך בסיסיות דומה -OH הקבוצה העוזבת -ליות ריאקטיביות דומה לזו של אסטריםלחומצות קרבוקסיאינן מגיבות עם יוני קרבוקסילאט או יוני , כמו אסטרים, אי לכך חומצות קרבוקסיליות. באסטרים-OR לזה של הקבוצה העוזבת

.הליד

לא רק לשם זירוז , הריאקציה חייבת להתרחש בסביבה חומצית. ירת אסטריםחומצות קרבוקסיליות מגיבות עם אלכוהולים ליצמאחר ולתוצר הביניים . אלא גם כדי לשמור על החומצה הקרבוקסילית בצורתה החומצית כך שתוכל להגיב עם הנוקליאופיל

חייבת להתרחש עם עודף הריאקציה , הטטראהדרלי שנוצר בתגובה יש שתי קבוצות עוזבות פוטנציאליות בעלות בסיסיות דומהאמיל פישר היה . אלכוהול בכדי לדחוף אותה לכיוון התוצרים

י הוספת עודף "הראשון שגילה שניתן להפיק אסטרים עולכן הריאקציה , אלכוהול לחומצה קרבוקסילית בנוכחות חומצה

.אסטריפיקצית פישרקרויה

נמוך מזה של pKaהיות ולחומצה הקרבוקסילית . ית עם אמיניםחומצות קרבוקסיליות אינן עוברות התמרה אצילית נוקליאופילמלח אמוניום . החומצה הקרבוקסילית תורמת מיד פרוטון לאמין כאשר שתי התרכובות מעורבבות יחדיו, אמין שעבר פרוטונציה

.אינו נוקליאופיל יון הקרבוקסילאט אינו ריאקטיבי והאמין שעבר פרוטונציה -קרבוקסילאט הוא התוצר הסופי של הריאקציה

11

ריאקציות של אמידים. 15

תכונה חיונית למדי מאחר וחלבונים מורכבים בעיקר מחומצות אמיניות שמחוברות , אמידים הינם תרכובות מאד לא ריאקטיביותל מקרה הנוקליאופיל אלכוהולים או מים משום שבכ, יוני קרבוקסילאט, אמידים אינם מגיבים עם יוני הלידים. י קשרים אמידים"ע

.התוקף הוא בסיס חלש יותר מהקבוצה העוזבת של האמיד . בפרק זה16ההסבר לכך מצוי בחלק . אמידים כן מגיבים עם מים ואלכוהול כאשר התערובת מחוממת בנוכחות חומצה, אמנם

בפרק זה ראינו כי לאמידים תורם 3בחלק . תיאורית האורביטלות המולקולריות יכולה להסביר מדוע אמידים אינם ריאקטיבים

האורביטלה שמכילה זוג אלקטרונים -רזונטיבי חשוב בו החנקן משתף את זוג האלקטרונים הלא קושר שלו עם הפחמן הקרבונילי אין -חפיפה זו מקטינה את האנרגיה של זוג האלקטרונים הלא קושר. של הקבוצה הקרבוניליתπ*לא קושר חופפת לאורביטלת

וכך הופכת אותה פחות , של הקבוצה הקרבוניליתπ* ומגדילה את האנרגיה של אורביטלת -ים או נוקליאופיליםהם בסיסי .ריאקטיבית לנוקליאופילים

.הידרציה ליצירת ניטריל- יכול לעבור דהNH2אמיד עם קבוצת

הידרוליזה של אמינים בזירוז חומצה. 16

החומצה תורמת פרוטון לחמצן הקרבונילי וכך מגדילה את רגישות הפחמן ,כאשר אמיד עובר הידרוליזה בתנאים חומצייםמ "שמצוי בש, Iי מים מובילה להיווצרות תוצר ביניים טטראהדרלי "התקפה נוקליאופילית ע. הקרבונילי להתקפה נוקליאופילית

היא אוIצן ליצירת תוצר ביניים פרוטונציה נוספת יכולה להתרחש על החמ. IIתוצר ביניים טטראהדרלי , עם צורתו הנייטרלית היא בסיס חזק יותר NH2הפרוטונציה האחרונה מועדפת משום שקבוצת . III על החנקן ליצירת תוצר ביניים יכולה להתרחש

הוא הבסיס החלש יותר ולכן NH3( ,NH3 - ו-III) OHמתוך שתי הקבוצות העוזבות האפשריות בתוצר ביניים . OHמקבוצת היות . רת חומצה קרבוקסיליתהוא מסולק ליצי

NH3, והריאקציה מתרחשת בסביבה חומציתיעבור פרוטונציה לאחר סילוקו מתוצר הביניים

הדבר מונע מהריאקציה ההפוכה . הטטראהדרלי .להתרחש

?מדוע הריאקציה אינה מתרחשת ללא זרז

אי . האמיד לא יעבור פרוטונציה, אם לא יהיה זרז

יצטרכו לתקוף , ל גרועשהם נוקליאופי, לכך המים להתקפה רגישאמיד נייטרלי שהוא פחות

. נוקליאופילית מאשר אמיד טעון חיובית

Tetrahedral intermediate II →

Tetrahedral intermediate III

של תוצר הביניים NH2קבוצת , בנוסףהטטראהדרלי אינה עוברת פרוטונציה בתגובה לא

יסולק מתוצר הביניים -OH, לכן. מזורזת .NH2 -משום שהוא בסיס חלש יותר מ

.והול בנוכחות חומצה מאותן סיבות שהוא יגיב עם מים בנוכחות חומצהאמיד יגיב עם אלכ

12